[发明专利]一种12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机，属于无轴承开关磁阻电机和磁悬浮轴承领域。 

背景技术

无轴承开关磁阻电机是20世纪末发展起来的一种新型磁悬浮电机。以定子上绕组的个数多少分类，有单绕组无轴承开关磁阻电机和双绕组无轴承开关磁阻电机。二者的控制策略有所不同，但其悬浮力和转矩产生的机理是相同的，均为通过控制绕组电流大小不同，以形成一个不对称磁通，进而产生方向和大小可控的径向悬浮力，从而使电机具有旋转和自悬浮能力。相对于双绕组无轴承开关磁阻电机，单绕组无轴承开关磁阻电机定子仅有一套绕组，结构更为简单，且控制算法简单，已成为无轴承开关磁阻电机的一个研究热点和发展趋势。 

转矩和悬浮力之间存在着强耦合，且很难在控制策略和数学模型中实现二者的解耦，是无轴承开关磁阻电机运行性能难以提高的主要因素之一。另外，因悬浮力控制所需，必须对绕组电流进行斩波控制，而高速运行时，反电动势的激增导致无法对绕组电流进行跟踪斩波控制，即会出现电流斩不住的现象，这严重影响了无轴承开关磁阻电机高速性能的发挥，并降低了悬浮精度。 

无轴承电机若要实现五自由度悬浮运行，至少需要1个轴向磁悬浮轴承与其配合使用。轴向磁轴承势必会增加悬浮电机系统的轴向长度和控制的复杂度，进而降低临界转速和功率密度。因此，在实现转矩和悬浮力解耦控制的基础上，实现无轴承电机和轴向磁轴承的集成化已成为磁悬浮电机领域的研究热点。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提出一种12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机，本电机转矩脉动小、悬浮力和转矩在结构上完全解耦，具有高速适应性强、高功率密度的特点。 

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案： 

 一种12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机，由1个三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机和2个三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机集成而成，三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机包括径向磁场电机定子（1）、径向磁场电机转子（2）和径向磁场电机绕组（4），三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机包括轴向磁场电机定子（5）、轴向磁场电机转子（3）和轴向磁场电机绕组（6）；其中径向磁场电机定子（1）与径向磁场电机绕组（4）通过卡槽相连，径向磁场电机绕组（4）又与径向磁场电机转子（2）相连，径向磁场电机转子（2）两端各与一个轴向磁场电机绕组（6）相连，每个轴向磁场电机绕组（6）外侧各接一个轴向磁场电机定子（5），每个轴向磁场电机定子（5）外侧各接一个轴向磁场电机转子（3）。

    作为本发明的12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的进一步优化方案，所述的1个三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机和所述的2个三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机的定子极弧角相等，3个转子极弧角也相等，且转子极弧大定子极弧30°，以形成30°宽的最大电感平顶区。 

作为本发明的12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的进一步优化方案，所述的1个三相12/4径向磁场无轴承开关磁阻电机和所述的2个三相12/4轴向磁场无轴承开关磁阻电机的定子均为12极结构，且3个电机定子齿上各有一套绕组。 

作为本发明的12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的进一步优化方案，根据权利要求1所描述的12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于所述的三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机的定子和转子轴向长度相等，所述的2个三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机所有电机结构参数相等，且轴向磁场电机的定子和转子外径相等。 

作为本发明的12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的进一步优化方案，所述12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机中所有的定子齿上的绕组采用集中式绕组，其中径向磁场电机定子（1）的每4个相隔90°的定子齿上的绕组为一相，3相共12个绕组，每相绕组具有两种工作模式：悬浮力控制模式和转矩控制模式，且每相4个绕组独立控制，轴向磁场电机定子（5）的每4个相隔90°的定子齿上的绕组串联为一相，且每12个定子齿的绕组分别构成3相3个绕组串。 

作为本发明的12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的进一步优化方案，所述12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的转动部分由3个凸极转子组成，转子齿数均为4，具体为1个径向磁场电机转子（2）和2个轴向磁场电机转子（3）通过轴向叠压而成。